5.4开罗泥水加压平衡盾构隧道

第五章四、开罗泥水加压平衡盾构隧道

1 盾构选型

(1)工程概况

1975年，埃及政府启动了大开罗污水治理项目，邀请了近40家特别擅长于下水道工程和污水处理的国际公司，为整治尼罗河东、西两岸污水提出建议。

英国Taylor Binnie & Partners公司(它是由John Taylor财团，现名Acer John Taylor,和Binnie & Partners海外有限公司组建)联合埃及顾问工程师Abdal Warith博士，被选中负责东岸项目。

1979年TB&P提出了设计总方案，除了对现有系统作适当的改善外，主要为2010年预测流量提供一个综合的设计和监控系统。埃及政府审批了这个设计总

方案。

1978年下半年，美英顾问机构(Ambric)获得英国和美国政府的许可，它是

由英国TB&P和美国的两家咨询工程公司Camp Dresser & Mckee和Black & Vealch(国际)组成的一个国际财团。

1979年开始对该系统进行调研和设计。

最初设计包括对现有污水系统状况的较大范围的调研，调研预测人口的增长和分布、需水量和所产生的污水。这次调研揭示了尼罗河两岸的污水系统存在着严重的超负荷，它们的容量因沉积的砂砾和其它有害杂质而减小很多。

为了解决这些问题，新设计的系统根据最小平均估计流量，采取最小平均流速为0.6m/s，最小沉淀迁移量为200mg/l。

据此得出内径为1.2m和5m的污水管最小坡度各为1∶950和1∶1090，对

照1913年建造的内径1.6m的第一条污水总集管的坡度，其坡度只有1∶2500。

根据污水管道尺寸大小和管内底深度在18m和20m之间，新污水管道系统需采用隧道技术来建造。隧道法施工还能尽量减小对开罗市中心商业和居民生活

的干扰，否则用开槽埋管法施工将会带来很大麻烦，并需在施工中迁移大量有妨碍的地下管线。施工所需的出入口竖井井位均座落于新污水系统管线的关键点处，它既要与现有系统相连通，又要尽量减少对交通的干扰。

现场调查表明所有隧道都将设在地下水位以下，其中大部分穿过中砂到粗砂的地层，并含有粘土或粉砂夹层和透镜体，偶见砂砾和圆石。最南端隧道，位于Fostat下，将遇到含水的强度由中到弱的裂隙岩层。

细颗粒的土质再结合高地下水位，给竖井下沉和隧道施工带来了极大的困难，要求对隧道线路以及施工的形式和方法作特殊设计。

开罗处于高密度拥挤的环境，尽量减小地面沉降的要求是十分重要的(大多

数隧道施工技术不可能消除地面沉降)。只要有可能，隧道线路尽量布置在街道

下面。这样的线路布置，除了对处理沉降影响问题有利外，还能尽量减小财产购置和相应的法律问题。

顺着街道走向布置的隧道线路会产生出入口竖井之间的大多数隧道线形呈

曲线形。线路最小设计曲率半径见表34。

大开罗污水治理项目隧道曲率最小设计半

主隧道污水干管(内径5m和4m)，选择的线路是沿从Zayeda Zainab到Ameria 的Port Said路侧，或者与之接近和平行。Port Said路的走向是沿着旧的Kbalig el Kebir运河行走(该运河最早是古代Amnis Trajanus运河)，这条运河现在已回填,见图124。

图124 大开罗污水治理项目东岸隧道示意图

研制了出入口和工作用的竖井标准设计。竖井的设计分成上下两部分，上部是钢筋混凝土圆形结构，用沉箱法施工下沉；下部是管片衬砌段，它先用基础托换法，继后再用钢筋混凝土砌。井用气压法施工，以防止地下水的流入和稳定颗粒土壤。

除了预测有特别水力考虑的那些位于偏角和低位的支线连接处之外，竖井的直径对于任何尺寸的隧道都是统一的。

盾构掘进机从竖井中出洞和进洞的人工开挖段，以及今后隧道连接段的施工，使用气压时都配上地基加固。

为了以后的合同，竖井的设计根据前面施工经验作出相应的修改和进一步标准化。

隧道初次衬砌是用预制钢筋混凝土管片拼装成的衬砌环组成，管片用螺栓连接。管片的数目、尺寸、构型和重量取决于管片是否用机械拼装还是由人工拼装。管片在盾构掘进机后面拼装，管片结构牢固，见图125。

与泥水加压平衡盾构相配合的管片，在管片相邻之间设计使用一种特殊合成橡胶密封圈，以保证在管片拼装后密封紧密。封顶采用楔形K型管片，以便于在盾尾内容易插入，并能避免橡胶密封圈受损。所有的管片内面设计填缝槽，作二次密封使用。

图125 主污水干道隧道衬砌立面图

从Fostat到Ameria的主干道隧道的内径为5m和4m污水管隧道使用的管片为楔形管片，相对平面交的楔形量为2.5cm，使隧道不需要作特殊衬垫即可作曲线开挖。

内径5m、4m和2.5m的隧道，每环长度分别为1.0m(标准)、0.8m(标准)和0.6m。内径为5m和4m的软土隧道管片厚度为22.5cm；内径为2.5m隧道的管片厚度为17.5cm。

井和隧道都使用特殊的抗酸砖作内部衬砌，并用抗酸环氧砂浆嵌塞来抗腐蚀。为同样的目的，井顶板和出入楼梯板的下面，都用聚氯乙烯涂面。

在设计阶段，对污水干管的主要隧道，考虑到它们的大尺寸、位置和与邻近地面上各类结构、办公大厦和私人产权等，来选择最适宜的施工方法。

要考虑各种因素，着重解决大隧道(5m和4m内径污水管，其开挖直径各为6.11m和5.15m)开挖面处地下水压和气压之间保持平衡的问题。其它因素包括气压四周逃逸的潜伏影响，以及一旦失去平衡会产生“冒顶”危险的问题。开罗软低的地区地下水位接近地面，敞开型将变得比较突出。

考虑到使用泥水加压平衡盾构要比气压式盾构掘进机的麻烦小，因此膨润土技术指定用于开挖内径5m的污水隧道和大部分内径4m的污水隧道。较小的隧道则采用气压式手工开挖盾构，或者借助于地基加固。

污水主干管隧道的建设分为三个合同履行，合同3、4和12以及主要污水支管隧道(合同12/5A)。这些合同的基本特征在表35中列出。

大开罗污水治理项目3标、4标和12/5a标主要合同组成部

(2)盾构选型

泥水加压平衡盾构是一台使用一只旋转式刀盘的盾构，该旋转刀盘是处在膨润土泥浆的泥水压力舱之中，用泥水来保持相当于外部地下水的压力。作为流体状的膨润土泥浆，沿开挖面自上向下形成一个类同于地下水的压力分布，而它们的压力方向相反，从而使膨润土泥浆压力和地下水压达到完全平衡。这种现象和膨润土本身的触变特性相结合，稳定了地层，允许有控制地进行隧道开挖。充满膨润土泥浆的泥水压力舱，用设计合理的隔墙，将它与盾构的其余部分隔开，只有切削头的轴、膨润土泥浆的泥水循环用的管道和压缩空气供气管路通过隔墙。

膨润土泥浆的泥水用变速泵，通过密封管网系统在膨润土泥浆的泥水压力舱和地面泥水处理设备之间作来回循环。开挖出来的出土呈悬浮状，由膨润土泥浆的泥水送到井口处理。

切削头架设在有特殊强度的中心轴上，通过强力传动机构带动，它不仅能作旋转动作，还能作有限的轴向移动。切削头形式可以是全断面的或部分断面的(行星轮式)，根据地层的覆盖面积，并能补充膨润土泥浆对开挖面的支护作用。